1. Ciencia

XXIII C ON G R E S O N A C I O N A L
AMH
DE
H I D R Á U LI C A
PUERTO VALLARTA, JALISCO, MÉXICO, OCTUBRE 2014
AMH
MAPAS DE PELIGRO POR INUNDACIÓN COMO HERRAMIENTA PARA LA EVALUACIÓN
DEL RIESGO DE DAÑO DE VIVIENDAS
Vélez Morales Laura1, Fuentes Mariles Óscar Arturo1, Rubio Gutiérrez Horacio2
y De Luna Cruz Faustino1
1
Instituto de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México. Circuito Escolar S/N, Edificio 5,
Ciudad Universitaria, Del. Coyoacán, México D.F., México. C.P. 04510
2
Comisión Nacional del Agua. Avenida Insurgentes Sur 2416, Col. Copilco el Bajo, Del. Coyoacán, México D.F.,
México C.P. 04340
[email protected], [email protected], [email protected], [email protected]
Metodología
Para describir la metodología empleada para formar los
mapas de peligro se presenta un caso de estudio que se
refiere a la comunidad Rosarito Huahuatay ubicada en la
cuenca Río Tijuana-Arroyo de Maneadero. La cuenca de
este río tiene una superficie de 7,905.73 km2 y está
integrada por las subcuencas de las corrientes Maneadero,
Ensenada, Guadalupe, El Descanso, Las Palmas y Tijuana
(Ilustración 1). Ésta cuenca pertenece a la Región
Hidrológica 1, "Baja California Noroeste" (Ensenada),
ubicada en la porción Centro-Noroeste del Estado, cartas
topográficas de INEGI, escala 1:50,000.
Ilustración 2. Elementos tomado en cuenta en la construcción de
los mapas de peligro y los análisis tanto de vulnerabilidad como de
riesgo.
Peligro
El Modelo digital de elevaciones utilizado para la simulación
numérica fue una combinación de información de "United
States Elevation Data (NED) (10m Resolution) (Use
http://seamless.usgs.gov/)" y de LiDAR de INEGI. Ilustración
3.
Ilustración 1. OC 1 Península de B. C.: Rosarito-Huahuatay.
La modelación matemática de los flujos de agua sobre la
superficie formados por la lluvia y los escurrimientos de
los ríos permite determinar los mapas de peligro. Para
llevar a cabo tal modelación, se requiere de un modelo
digital de elevaciones de terreno de la zona en estudio con
determinado detalle
Los flujos de agua de esta cuenca se calcularon con un
modelo matemático de flujo no-permanente bidimensional,
elaborado en el Instituto de Ingeniería (“Flubidi”, Fuentes
O, De Luna F.) de donde se obtiene la profundidad y
velocidad en cada celda que conforman la malla del cálculo
(Ilustración 2).
Ilustración 3. Modelo digital de elevaciones en la zona de estudio.
Entre otros resultados de la modelación matemática están las
profundidades máximas, velocidades máximas y los productos
de profundidad por velocidad al cuadrado máximo del agua
que no necesariamente corresponden al mismo tiempo de
simulación (Ilustración 4).
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La información de INEGI permitió ubicar las viviendas en
cada una de las celdas correspondientes a la malla de
modelación matemática sobre los mapas de peligro de cada
uno de los periodos de retorno, con lo cual se determinó la
profundidad y velocidades máximas de la inundación en
cada una de las viviendas asociadas a cada periodo de
retorno.
Ilustración 4. Valores máximos resultantes de la modelación
matemática para un periodo de retorno de 2 años.
Vulnerabilidad
Se considera que los daños aumentan cuanto mayor es la
profundidad y la velocidad con la que se desplaza el agua.
El costo de los daños materiales se calcula con la siguiente
expresión:
D  IvC
(1)
Ilustración 5. Información vectorial de localidades amanzanadas y
números exteriores.
C Costo del total del daño del sistema expuesto (en este
ejemplo, costo total de los daños a las viviendas).
Para estimar los índice de vulnerabilidad de las viviendas,
CENAPRED (Centro Nacional de Prevención de Desastres)
propuso una serie de configuraciones de muebles y enseres
domésticos de acuerdo a la Guía Básica para la
Elaboración de Atlas Estatales y Municipales de Peligros y
Riesgos (en las Ilustraciones 6 a la 10 se muestran las
curvas de vulnerabilidad para 5 tipos de casas).
donde:
Iv Índice de vulnerabilidad del daño (adimensional, entre 0 y
1). Es una fracción de costo total del daño del sistema
expuesto (ej. de las viviendas afectadas) que se ha considerado
dependiente de la profundad y velocidad máximos del agua de
la inundación correspondiente a cierto periodo de retorno.
Este costo señala la vulnerabilidad del sistema expuesto ante
la presencia del evento asociado a determinado periodo de
retorno.
Riesgo
El Riesgo corresponde a la esperanza matemática o valor
esperado de los costos de los daños debido a las inundaciones
de distinto periodo de retorno. (1 y 2)
(2)
Siendo pi la probabilidad de ocurrencia del evento de periodo
de retorno Ti
Ya que el costo de los daños de cierto tipo de bien material se
expresaran, como el índice de vulnerabilidad por el valor de
daño total del bien material C (ecuación 3):
Ilustración 6. Función de vulnerabilidad para casa tipo I.
(3)
Si tiene un solo sumando: R=C p Iv que es la expresión más
simple y utilizada para evaluar el riesgo.
Para la ubicación de las zonas urbanas de interés; se
emplearon las cartas topográficas de INEGI, escala 1:50,000
(Ilustración 1); la ubicación de cada vivienda, se obtuvo de la
información digital (vectorial) de INEGI de localidades
amanzanadas y números exteriores para Baja California
(Ilustración 5).
Ilustración 7. Función de vulnerabilidad para casa tipo II.
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Ilustración 8. Función de vulnerabilidad para casa tipo III.
Ilustración 11. Gráfica de costo contra profundidad de
inundación, para una casa tipo I.
Ilustración 9. Función de vulnerabilidad para casa tipo IV.
Ilustración 12. Gráfica de costo contra profundidad de
inundación, para una casa tipo II.
Ilustración 10. Función de vulnerabilidad para casa tipo V.
Ilustración 13. Gráfica de costo contra profundidad de
inundación, para una casa tipo III.
En la zona urbana de la cuenca Rosarito-Huahuatay se
identificaron 5 tipos de casas y de un estudio de mercado
de la región se estimaron costos de los contenidos y de los
acabados de las casas que fueron considerados sobre las
funciones de índice de vulnerabilidad del CENAPRED.
Con esto se trazaron las gráficas que aparecen en las
ilustraciones 11 a 15. Las gráficas tipo I,II y III llegan a
una profundidad de dos metros puesto que son casas de un
solo nivel, no así las casas tipo IV y V que son casas de
dos niveles o más.
Las gráficas de costo se obtuvieron a partir de una gráfica
base, elaborada con más de 400 encuestas a nivel nacional
de donde se encontró el comportamiento ascendente; es
decir, de menor a mayor profundidad.
Ilustración 14. Gráfica de costo contra profundidad de
inundación, para una casa tipo IV.
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El fundamento del análisis de severidad está en el esquema
de la ilustración 19, Este estudio se realizó para definir los
niveles y las velocidades de inundación, elaborado en
diciembre de 2007 por el gobierno de nueva Gales del sur
(Australia), en el Río Bielsdown, el cual atraviesa una
localidad llamada Dorrigo.
Se muestra la relación velocidad del flujo/profundidad de
inundación (resistencia al vuelco de las paredes de las
viviendas).
Ilustración 15. Gráfica de costo contra profundidad de
inundación, para una casa tipo V.
El cálculo se hizo con los datos de las coordenadas para
cada casa, su respectiva cota de terreno y la elevación del
agua y velocidad para cada período de retorno, obteniendo
un valor para cada uno de estos (Ilustraciones 16, 17 y 18).
Como resultado del análisis del modelo matemático se
obtienen mapas con los valores máximos (envolventes) del
producto de la profundidad de inundación con la velocidad
del flujo en cada celda y para cada periodo de retorno
simulado.
El mapa de severidad permite programar las medidas de
protección, en su caso las áreas que no deban ser utilizadas
y reglamentar aquellos usos que presenten menos riesgo.
Para mostrar los resultados, se estableció una escala de
daño por colores para definir la resistencia al flujo de un
muro de una vivienda debido a la profundidad y velocidad
del agua (Tabla 1) y el diagrama del extremo inferior de la
Ilustración 20.
C3
Ilustración 16. Datos que deben de tomarse en cuenta para el
cálculo del daño.
Ilustración 17. Datos de daño que se deben tomar en cuenta para
el cálculo del riesgo.
Ilustración 19. Riesgo de inundación, velocidad/profundidad.
Fuente: Bellingen Shire Council. Dorrigo Flood Study.
Tabla 1. Escala de colores considerados para el análisis de la
severidad (índice peligro por inundaciones).
Ilustración 18. Datos vulnerabilidad que se deben tomar en cuenta
para el cálculo del riesgo.
Índice
Color
Muy alto
Rojo
Alto
Naranja
Medio
Amarillo
Bajo
Azul
Muy bajo
Verde
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En las Ilustraciones 23 y 24 se presentan las velocidades
máximas y la “severidad” de la inundación de periodo de
retorno de 100 años.
Ilustración 20. Severidad para un Tr de 2 años.
Interpretación de resultados
Las prácticas de gestión de inundaciones se han centrado
fundamentalmente en la atenuación de su magnitud y la
reducción de la vulnerabilidad a los sistemas expuestos.
Para ello se ha recurrido a medidas estructurales y no
estructurales (institucionales).
Ilustración 23. Velocidades máximas del agua de la inundación de
periodo de retorno de 100 años.
Los resultados de la modelación matemática de las
inundaciones correspondientes a los valores máximos de
profundidad de inundación se representaron en las cartas
topográficas de INEGI escala 1:50,000. En ellas también se
mostró la ubicación de las viviendas (Ilustraciones 19 a
22).
En las Ilustraciones 21 y 22 se aprecian de las profundidades
máximas de la inundación para un periodo de retorno de 2
años y 100 años respectivamente.
Ilustración 24. Severidad de la inundación de periodo de retorno
de 100 años.
Se tomaron en cuenta 60,280 viviendas urbanas (Ilustración
25) en la cuenca en estudio de Información digital INEGI
(Información Vectorial de Localidades Amanzanadas y
Números Exteriores).
Ilustración 21. Profundidades de la inundación de Tr 2 años.
Ilustración 22. Profundidades de la inundación de periodo de
retorno de 100 años.
Ilustración 25. Viviendas urbanas de Rosarito Información digital
INEGI (Información Vectorial de Localidades Amanzanadas y
Números Exteriores).
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El análisis de las viviendas dio como resultado la gráfica de la
incluida en Ilustración 26; en donde se presentan los daños en
el menaje y acabados en miles de pesos.
100,000
Ac abados de la vivienda
90,000
Menaje
80,000
Costo ($)
70,000
60,000
50,000
Tabla 3. Resumen de la estimación del riesgo.
Rango de riesgo ($/año)
%
Viviendas
0
a
600
91.7
5,763
600
a
6,000
5.0
314
6,000
a
12,000
0.6
38
12,000
a
24,000
0.7
44
24,000
a
36,000
1.3
82
36,000
a
58,000
0.7
44
40,000
30,000
En la Ilustración 28 se presentan los resultados de la
estimación del riesgo.
20,000
10,000
0
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
Profundidad de inundación (m)
Ilustración 26. Función de costo (estudio de mercado).
Se tiene en cuenta que la vigencia de gráficas está sujeta a
modificaciones de las zonas inundables por obras de
ingeniería, crecimiento urbano, cambios de los precios del
mercado.
Para la zona de Rosarito se consideró la gráfica del Tipo III
del Cenapred (Ilustración 27) contenida en su Guía básica
para la elaboración de atlas estatales y municipales de
peligros y riesgos versión 2004.
Ilustración 28. Estimación del riesgo por inundación en viviendas.
Conclusiones
Ilustración 27. Función de vulnerabilidad (CENAPRED).
Costo anual esperado
La manera planteada para calcular el riesgo corresponde al
daño anual esperado a las viviendas por inundación. De la
muestra de 60,280 viviendas, se inundan 6,285 (10% del
total).
El riesgo resultó ser de $ 6’623,377/año. Por vivienda, el
riesgo se clasificó en 6 categorías, con intervalos de clase de
58,000 pesos/año (Tabla 2 y 3).
Tabla 2. Cálculo del daño anual esperado de las viviendas por
inundación.
Por las características topográficas en la zona de estudio, se
considera que es una cuenca de respuesta rápida, o sea que
después de la lluvia en poco tiempo se tienen escurrimientos
importantes. Por lo anterior, fue necesario establecer el
tamaño de celda de 50 m de lado y en el modelo matemático
de simulación de los flujos de agua sobre el terreno usar un
intervalo de tiempo de 0.65 segundos.
Dentro de la cuenca sólo se tiene a la estación climatológica,
Planta de bombeo Rosarito 2017, y por ello se revisó de la
información disponible en la cuenca más cercana,
correspondiente al cauce del río Tijuana.
Las láminas de precipitación horaria se definieron utilizando
las curvas intensidad – duración – periodo de retorno del
CENAPRED.
La variación de la lluvia del evento histórico de acumulación
máxima significativa en la región de estudio se utilizó
(estación meteorológica automática Presa Abelardo L.
Rodríguez Lat. 32°26’, Lon. 116°54’, con registro entre los
años 1999 y 2012) para definir la forma de los hietogramas
(orden de las láminas de precipitación horaria) para diferentes
periodos de retorno de la estación climatológica.
Las áreas de inundación calculadas con un modelo matemático
de tipo hidráulico en dos dimensiones a partir de lluvia, son
sensibles a la calidad de los datos de entrada.
Una adecuada estimación de la lluvia efectiva tanto en el
tiempo como en el espacio permite obtener un volumen de
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escurrimiento, áreas y profundidades de inundación según
las condiciones hidráulicas de la zona de estudio.
Los resultados obtenidos representan satisfactoriamente el
escurrimiento dentro de la cuenca. Una selección apropiada
del valor del coeficiente de fricción de la fórmula de
Manning influye, en gran medida, en las magnitudes de las
velocidades y también las profundidades del flujo.
Los valores máximos que aparecen en los mapas se refieren
a la cantidad más grande que se llegó a presentar en un
cierto momento en cada una de las celdas de la malla de
cálculo. También se elaboraron ilustraciones en donde se
presenta el daño esperado anualmente.
De las 60,250 viviendas consideradas en la zona de
estudio, se tienen las siguientes afectaciones por
inundación:
Tabla 4. Resumen de viviendas afectadas por inundación
asociadas a diferentes periodos de retorno.
Periodo de retorno (años)
2
5
10
50
100
Viviendas afectadas
1,814
3,032
4,178
5,714
6,285
Tabla 5. Resumen general del análisis del riesgo por inundaciones
asociado a viviendas.
Viviendas totales
Viviendas afectadas para Tr 100 años
Porcentaje de viviendas afectadas
para Tr 100 años
Daño para Tr 100 años
Daño entre viendas afectadas para Tr
100 años
Riesgo (Daño anual esperado)
Área analizada
Riesgo entre área analizada
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60,250 viviendas
6,285 viviendas
10%
$ 38'623,881
6,145 $/vivienda
6'623,377 $/año
684 km2
9,685 $/año/km2
No necesariamente las obras para mitigar las inundaciones
reducen las afectaciones por inundación, por lo que antes
de constrirlas debe estimarse sus efectos en la zona en
forma integral. Ya que en ocasiones con dichas obras el
agua que ocupaba temporalmente una zona de terreno se
puede desplazar a otras regiones donde podría originar un
mayor perjuicio.
Referencias
Fuente: Estudio de mercado para un proyecto.- Lic. Octavio
Alvarado Cervantes, presentado para los estudiantes de
arquitectura de la UCA, Nicaragua, Marzo 12 de 2009.
Curso Gestión Integrada de Crecidas, Facultad de Ingeniería y
Ciencias Hídricas-Universidad Nacional del Litoral. Centro
Regional Litoral-Instituto Nacional del Agua.-Prof. Ing.
Carlos U. Paoli, Santa Fe Argentina, 26 al 30 de abril de
2010.
AMH
Gestión integrada de crecidas: Documento Conceptual.
Organización Meteorológica Mundial. OMM-No.1047.
Ginebra, Suiza 2009.
Metodología para la elaboración de mapas de riesgo por
inundaciones en zonas urbanas. Centro Nacional de
Prevención de Desastres. Serie: Atlas Nacional de Riesgos.
Fenómenos Hidrometeorológicos. Marco Antonio Salas, Julio
2011.
CHEN, C. L. (1983). Rainfallintensity-duration-frequency
formulas. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol. 109,
No. 12, December 1983, pp. 1603-1621.
CHOW, V. T. (1994). “Hidrología aplicada”. McGraw-Hill
Interamericana, S.A., Colombia.
FUENTES, M. O. A. (2012). “Obtención de hietogramas
correspondientes a diferentes periodos de retorno”, XXV
Congreso Latinoamericano de Hidráulica, San José, Costa
Rica.
BAEZA, R. C. (2007). “Estimación regional de factores de
convectividad para el cálculo de las relaciones intensidadduración-frecuencia”. Tesis de Maestría. Universidad
Nacional Autónoma de México.
OMM, Tercera Cenferencia Mundial sobre el clima, Ginebra,
Suiza, 31 de agosto-4 de septiembre de 2009.
BARÓ, Suarez José Emilio. “Costo más probable de daños
por inundación en zonas habitacionales de México”,
septiembre 2011.